CN109765932A - 一种荒漠灌丛盖度无人机调查方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种荒漠灌丛盖度无人机调查方法，依次通过S1、操控无人机飞行至荒漠灌丛的多个随机位置处采用镜头垂直向下的拍摄方式获取多张具有各种分布特点的灌丛照片，S2、利用计算机的图片编辑软件手工勾勒出每张照片中的每一株灌丛的轮廓，统计勾勒的轮廓内包含的像素个数，进而计算每一株灌丛的冠幅面积，以及S3、通过计算每张照片中对应的灌丛面积和荒漠覆盖范围，计算出全部照片涉及的荒漠区域的灌丛盖度这三个步骤实现；该荒漠灌丛盖度无人机调查方法合理、简单、易行，能够节省大量的野外调查时间，具有很好的推广应用前景。

Description

一种荒漠灌丛盖度无人机调查方法

技术领域

本发明涉及荒漠灌丛盖度调查技术领域，特别涉及一种荒漠灌丛盖度无人机调查方法。

背景技术

荒漠处于沙漠和草原之间，十分脆弱，保护不力则会退化成沙漠，保护得力则是沙漠治理的前沿。因此，荒漠灌丛的长势则成为了反映荒漠生态条件好坏的重要指示，其中荒漠灌丛盖度是一个重要的指标。水土条件有所改善，则盖度增加，反之则盖度减少。然而，由于荒漠水土条件相对较差，灌丛分布比较稀疏；因此，传统的荒漠灌丛盖度调查需要现场布设很大的样方才能让调查结果具有代表性，例如20m×20m，甚至50m×50m。

目前，在1m×1m样方的草地盖度调查领域，手持数码相机垂直向下拍摄草地继而在数码照片中调查盖度的技术已经十分普及，可以节省大量的野外调查时间。随着民用无人机航拍技术的普及，将数码相机带上天垂直向下拍摄覆盖更大的范围已经不是难事，将之应用于荒漠灌丛盖度调查存在技术上的可行性。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于无人机航拍技术的荒漠灌丛盖度无人机调查方法。

为此，本发明技术方案如下：

一种荒漠灌丛盖度无人机调查方法，具体步骤如下：

S1、操控无人机飞行至荒漠灌丛的多个随机位置处，并在适宜的飞行高度下利用机载相机采用镜头垂直向下的拍摄方式获取多张灌丛照片；其中，多张所述灌丛照片应为具有各种分布特点的灌丛照片；

S2、将步骤S1获取的多张灌丛照片导入计算机中，并利用计算机的图片编辑软件手工勾勒出每张照片中的每一株灌丛的轮廓，统计勾勒的轮廓内包含的像素个数，进而计算每一株灌丛的冠幅面积；其中，冠幅面积的计算公式为：冠幅面积＝像素个数×照片分辨率²；

其中，每株灌丛轮廓内包含的像素个数可以采用人工计数也可以利用现有的软件，如ArcGIS地理信息系统软件实现；

S3、统计调查的荒漠区域的灌丛盖度：

S301、通过计算公式：覆盖范围＝照片长度方向上的像素个数×照片宽度方向上的像素个数×照片分辨率²，计算出每张照片对应的荒漠覆盖范围，并对全部照片对应的荒漠覆盖范围求和以得到无人机调查区域的荒漠的总面积；

S302、通过计算公式：全部灌丛的冠幅对应的像素个数×照片分辨率²，计算出每张照片中对应的灌丛面积，并对全部照片中对应的灌丛面积求和以得到无人机调查区域的灌丛总面积；

S303、根据计算公式：灌丛盖度＝灌丛的总面积/荒漠的总面积×100％，计算出该调查区域的灌丛盖度。

优选，在步骤S1中，所述无人机为采用小型旋翼无人机。

优选，在步骤S1中，每张所述灌丛照片的照片分辨率≤灌丛植株中较小个体的宽度最小值的1/10。其中，照片分辨率的即为在照片中每个像素对应代表的实际景物的长度，这样将每张照片中全部像素的个数乘以照片分辨率的平方，既可得到每张照片对应覆盖的实际荒漠的面积。

优选，在步骤S1中，所述无人机的飞行高度＝相机的镜头焦距×照片分辨率/相机的像素尺寸。

与现有技术相比，该荒漠灌丛盖度无人机调查方法通过对采用垂直向下拍摄方式拍摄的照片中的灌丛的冠幅进行轮廓勾勒，获得照片中灌丛的盖度，进而通过对多张多类型灌丛照片的统计计算得到整个荒漠灌丛盖度；该方法合理、简单、易行，能够节省大量的野外调查时间，具有很好的推广应用前景。

附图说明

图1为本发明的荒漠灌丛盖度无人机调查方法的流程图；

图2为本发明的荒漠灌丛盖度无人机调查方法中确定无人机飞行高度并计算照片覆盖范围的原理示意图；

图3为本发明的实施例中第一张拍摄的照片在计算机中手工勾勒灌丛后的示意图；

图4为本发明的实施例中第二张拍摄的照片在计算机中手工勾勒灌丛后的示意图；

图5为本发明的实施例中对两张拍摄照片中的共计152个灌丛的冠幅大小进行统计的直方图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

以下以青海省德令哈梭梭林自然保护区的猪毛菜、白刺、梭梭等荒漠灌丛为例，对本申请的荒漠灌丛盖度无人机调查方法的具体实施过程进行详细说明。

如图1所示，该荒漠灌丛盖度无人机调查方法的具体实施步骤如下：

步骤一、操控无人机飞行至荒漠灌丛的多个随机位置处，并在适宜的飞行高度下利用机载相机采用镜头垂直向下的拍摄方式获取多张灌丛照片；其中，多张所述灌丛照片应为具有各种分布特点的灌丛照片；具体地，

根据调查人员实地考察，灌丛近似圆形，现场能够找到的灌丛最窄处约为5.5cm宽，因此，针对本方法拍摄的灌丛照片的照片分辨≤0.55cm；

本次调查采用的无人机航拍为深圳大疆公司生产的DJI Phantom 4pro电动四旋翼无人机，其等效焦距是24mm，相机像素尺寸为6μm，照片像素为5472×3648；

如图2所示，根据相机CCD/CMOS感光元件与照片是等比例放大的规律，如需满足上述照片分辨率的要求，无人机的飞行高度最大值h_max＝相机的镜头焦距×照片分辨率/相机的像素尺寸＝24mm×0.55cm/6μm＝22m，即无人机飞行拍摄状态下距离地面的高度不能超过22m；据此设定无人机在拍摄照片时的悬停高度为20m；

根据调查人员实地考察的灌丛分布情况，确定两处能够代表该调查区域的灌丛盖度的无人机的拍照位置，使无人机自身的飞行控制系统能够自动控制飞机定位在特定的经纬度和高度；操控无人机起飞至20米高处自动悬停，然后用遥控器操控云台始终处于垂直向下的状态，使无人机机载相机垂直向下向地面拍摄，同时，设置无人机拍照为自动曝光模式；相机向下拍照，拍完一张照片后，控制遥控器的水平移动摇杆(不用动油门摇杆)，朝任意方向飞行一定的距离，保证镜头中的地面与前一张照片没有重叠，连续拍摄2张照片后，结束拍照并控制无人机降落；从无人机启动到降落至地面，整个过程耗时不超过3分钟；

步骤二、利用计算机对照片中的灌丛进行逐株量测：

S201、如图3和图4所示，将两张照片导入计算机中，并在ArcGIS地理信息系统软件中依次加载两张照片，手动勾勒出每张照片中每一个灌丛冠幅的多边形轮廓，轮廓数据存储在ArcGIS支持的shp格式文件中；该勾勒的操作过程耗时约30min；

S202、利用ArcGIS自带的强大空间计算和分析能力，自动计算每个灌丛的冠幅多边形包含的像素个数，进而通过计算公式：冠幅面积＝像素个数×照片分辨率²，计算得到每张照片中灌丛的个数及每个灌丛的冠幅面积；

经过计算，两张照片合计的灌丛个数为152个，

步骤三、统计调查的荒漠区域的灌丛盖度：

S301、由于两张照片采用相同的相机拍摄，因此每张照片对应的荒漠覆盖范围＝5472×3648×0.55cm×0.55cm＝603.84m²，进而通过对两张照片的荒漠覆盖范围求和，得到无人机调查区域的荒漠的总面积为1207.68m²；

S302、两张照片合计的灌丛个数为152个，灌丛的冠幅面积属于泊松分布，平均灌丛面积0.65平方米，大多数灌丛在0.2平方米左右；

S303、该调查区域的灌丛盖度＝152个×0.65m²/1207.68m²×100％＝8.181％，即该调查区域的灌丛盖度8.181％。

Claims (4)

1.一种荒漠灌丛盖度无人机调查方法，其特征在于，步骤如下：

S1、操控无人机飞行至荒漠灌丛的多个随机位置处，并在适宜的飞行高度下利用机载相机采用镜头垂直向下的拍摄方式获取多张灌丛照片；其中，多张所述灌丛照片应为具有各种分布特点的灌丛照片，且任意两张照片之间无景物重叠；

S2、将步骤S1获取的多张灌丛照片导入计算机中，并利用计算机的图片编辑软件手工勾勒出每张照片中的每一株灌丛的轮廓，统计勾勒的轮廓内包含的像素个数，进而计算每一株灌丛的冠幅面积；其中，冠幅面积的计算公式为：冠幅面积＝像素个数×照片分辨率²；

S3、统计调查的荒漠区域的灌丛盖度：

S301、通过计算公式：覆盖范围＝照片长度方向上的像素个数×照片宽度方向上的像素个数×照片分辨率²，计算出每张照片对应的荒漠覆盖范围，并对全部照片对应的荒漠覆盖范围求和以得到无人机调查区域的荒漠的总面积；

S302、通过计算公式：全部灌丛的冠幅对应的像素个数×照片分辨率²，计算出每张照片中对应的灌丛面积，并对全部照片中对应的灌丛面积求和以得到无人机调查区域的灌丛总面积；

S303、根据计算公式：灌丛盖度＝灌丛的总面积/荒漠的总面积×100％，计算出该调查区域的灌丛盖度。

2.根据权利要求1所述的荒漠灌丛盖度无人机调查方法，其特征在于，在步骤S1中，所述无人机为采用小型旋翼无人机。

3.根据权利要求1所述的荒漠灌丛盖度无人机调查方法，其特征在于，在步骤S1中，每张所述灌丛照片的照片分辨率≤灌丛植株中较小个体的宽度最小值的1/10。

4.根据权利要求3所述的荒漠灌丛盖度无人机调查方法，其特征在于，在步骤S1中，所述无人机的飞行高度＝相机的镜头焦距×照片分辨率/相机的像素尺寸。